[发明专利]非接触式光学测量设备和可更换光学探头

说明书

本申请公开一种非接触式光学测量设备，其用于基于从光源发射并被工件表面反射以入射到光谱传感器上的光的可配置光传播路径来检测或测量不同的几何工件特征。光传播路径可基于哪个光学探头被附接到旋转台上来配置，该旋转台使探头围绕光轴并在准直区域中旋转。

相关申请

本申请要求于2019年9月18日提交的美国临时专利申请第62/902,311号的优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及计量设备，并且更具体地涉及用于包括尺寸测量、表面粗糙度测量和几何特征扫描的各种检查任务的非接触式光学测量设备。

背景技术

Castore的美国专利第5,781,297号描述了一种用于距离测量的混合频率和振幅调制光纤外差干涉仪。来自频率调制激光二极管的光束被分成参考光束和目标光束。闭环控制系统调制参考光束的振幅，以维持目标返回光束和参考光束中的功率之间的平衡。这使传感器能够与反射率变化很大的目标一起并且横跨目标光束到目标的大范围入射角进行操作。参考光束和目标返回光束在检测器处发生干涉以产生拍频波。拍频与目标到传感器的距离线性相关。拍频波的频率被确定为高精度，从而使位置具有高精度。

Deichmann等人的美国专利第7,625,335号描述了一种用于对有限尺寸的或具有受限可访问性的内表面或腔体进行三维扫描的扫描仪。该扫描仪包括具有轴线的探头和至少一个光源以及一个适于围绕探头的轴线进行360°扫描的相机。可以使用可通过扫描仪获得的3D扫描数据来创建真实对象的三维复制品。

Bondurant等人的美国专利第10,036,629号描述了一种光学螺纹轮廓仪，其包括CCD成像仪和光学三角测量，以执行螺纹表面的非接触式表征。

非接触式光学测量设备的其他尝试包括来自魁北克Pointe Claire的诺瓦坎技术公司(Novacam Technologies Inc.)和德国亚琛的菲奥耐克公司(Fionec GmbH)的那些设备。

发明内容

一种用于基于从光源发射并被工件表面反射以入射到光谱传感器上的光的可配置光传播路径来检测或测量不同的几何工件特征的非接触式光学测量设备包括：准直器，其被配置为对从光源发出的光进行准直，以建立沿光轴定向的准直光；旋转运动台，其被配置为引起围绕光轴的旋转运动；旋转运动传感器，其被配置为跟踪由旋转运动台施加的可控旋转量；以及一组可更换光学探头，该组中的每个构件包括与该组中的其他构件的探头光学配置不同的探头光学配置，并且每个构件可拆卸地安装到旋转运动台上，以随着可控旋转量被施加于该探头光学配置而沿着相应的传播路径引导准直光，使得准直光的反射部分被引导朝向光谱传感器。

还公开了光纤钻孔检查工具和自由空间光学测量设备，由此使光学探头小型化以便检测或测量包括小直径钻孔的各种特征。在一些实施例中，光纤钻孔检查工具包括可旋转的小直径套管(即，长针)，在该套管中容纳光纤(也被称为光管)。位于套管的远端处的反射镜引导从套管发射的光，使得光入射到钻孔表面上。反射光通过光管返回到与光管光学相关的光场相机(例如，类似于管道镜)。相机接收光以便捕获二维和三维信息。

所公开的钻孔测量方法适用于孔内径(ID)的计量测量、整个表面轮廓以及表面粗糙度和光洁度的评估。此外，在一些实施例中，干涉测量法也可用于获得内表面的表面粗糙度或光洁度质量。

所公开的技术提供了捕获小孔的内部特征的优点，具有检查小于6mm的孔和钻孔(包括具有内螺纹的孔(hole)和钻孔(bore))的能力。所公开的创新适用于许多检查应用，例如：航空航天发动机叶片中的冷却孔；医用指甲板；接骨螺钉和牙种植体头部上的头部驱动轮廓；燃料喷射器孔和排气歧管开孔；支架内径检查；以及用于油和气体的气箱和液体输送系统、锅炉和半导体设备中的阀门。在上述每种应用中，孔的直径有时小于6mm。特别地，航空航天和医疗领域是存在小孔的市场，并且可以使用所公开的技术容易地检查。